Физические свойства и фото графита. Графит - описание графита, свойства, добыча, применение, производство

Слово графит в переводе с греческого обозначает «пишу». Минерал с таким названием у природе образуется при высокой температуре в вулканических горных породах.

Графит является представителем класса самородных элементов высокой прочности. Его структура обладает большим количеством слоев.

В природе встречается два вида графита:

• крупнокристаллический,
• мелкокристаллический.

По величине кристаллов и по их расположению относительно друг друга в природе встречаются следующие типы графитов:

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические.

У графита структура является достаточно слоистой. Каждый из слоев обладает волнистой формой. Она является слабовыраженной.

Графит представляет собой один из элементов, который состоит преимущественно из кристаллов разных размеров. Они имеют пластичную структуру и небольшие чешуйки по краям. По своей прочности они могут сравниться алмазами.

Кристаллическая решетка графита состоит из большого количества слоев, которые имеют различное расположение относительно друг друга.

Сегодня не редко производится искусственный графит, который создается из смеси различных веществ. Он используется в разных отраслях человеческой жизнедеятельности. Графит, полученный искусственным путем, обладает большим количеством видов.

В современном мире планируется из графита добывать золото. Ученые выяснили, что в одной тонне графита содержится примерно 18 граммов золота. Данное количество золотой руды присуще золотым месторождениям. В настоящее время получать золото из графита есть возможность не только в нашей стране, но и в других государствах мира.

Одним из главных свойств графита является его способность проводить электрический ток. Его физические свойства отличаются от параметров алмаза тем, что у него не такой высокий уровень твердости. Его структура является изначально довольно мягкой. Однако после нагревания она становится твердой и хрупкой. Материал начинает рассыпаться.

Физические свойства графита являются следующими:

1. не растворяется в кислоте.
2. плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
3. после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.

Это далеко не все свойства графита. Есть еще параметры, которые делают этот элемент уникальным.

Графиту присущи следующие характеристики:

• температура плавления графита составляет 3890 градусов Цельсия,
• цвет графита является темно-серым с металлическим отливом,
• теплоемкость графита составляет 0.720 кДЖ
• удельное сопротивление графита составляет 800.000 · 10 − 8 (Ом · Метр).

Внимание: Единственный параметр из всех характеристик графита, который зависит от вида элемента, является теплопроводность графита. Она составляет 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Таблица. Физические свойства графита.

Добыча графита

Добыча графита является сложным процессом. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Оно используется для добычи и дробления элемента. Залежи графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются бурильные установки, которые позволяют добраться до месторождения этого элемента.

Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.

Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.

Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.

При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.

Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.

Простым карандашом с графитовым стержнем пользовался каждый из нас. Его след на бумаге - не что иное, как углерод. В нашей статье вы узнаете, какова формула графита, его физические и химические свойства.

Положение углерода в периодической таблице

Углерод - элемент четвертой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Он является органогенным. К данной группе также относятся кислород, азот и водород. Это значит, что они входят в состав всех живых организмов на планете, составляя их основу.

Такое положение определяет строение атома углерода. На его внешнем энергетическом уровне находится четыре электрона. Это значит, что данный химический элемент может проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления (+4 или - 4).

Понятие об аллотропии

Формула графита показывает, что в состав этого вещества входит только углерод в свободном виде. Хотя в природе он часто встречается и в виде соединений. Такими примерами являются углекислый и угарный газ, известняк, мел, мрамор.

Дело в том, что формула графита в химии такая же, как и у алмаза. Возможно ли это? Получается, что вещества с одинаковым составом имеют абсолютно разные свойства. Такое явление называется аллотропией. Она может быть обусловлена количеством атомов в молекуле вещества или их пространственным расположением. Примером первого случая является кислород. Если в молекуле два атома этого химического элемента, образуется кислород, а если три - озон.

Формула графита в химии

Аллотропия углерода является пространственной. Обратите внимание на рисунок ниже. Первый из них - это формула графита. Атомы углерода формируют слои, расположенные друг от друга на значительном расстоянии. Поэтому связи между ними не прочные. Каждый раз, проводя графитовым стержнем по бумаге, мы оставляем на нем слой углерода.

В кристаллической решетке алмаза (ее демонстрирует рисунок справа) расстояние между атомами в узлах одинаково во всех направлениях. Такое строение обеспечивает и прочность связей. Алмаз является самым твердым веществом. Считается, что его нельзя разбить.

Графит: формула, химическая и физическая характеристика

Как мы уже сказали, графит - это углерод. Соответственно, в химии записывается он как С. Несмотря на то что формула алмаза и графита сходна по качественному составу, эти вещества имеют значительные отличия в свойствах. Это объясняется разным пространственным расположением атомов углерода в их молекулах.

Графит - это мягкое вещество серого цвета с металлическим блеском. Оно без усилий расслаивается на мелкие пластинки и проводит электрический ток. Ученые доказали, что если графит нагреть до 1 600 градусов по шкале Цельсия под давлением 104 МПа при наличии катализаторов, то он превратится в алмаз. Таким способом в промышленности получают искусственные драгоценности.

Графит не является химически активным веществом. Он реагирует только с некоторыми солями и щелочными металлами. Продуктами таких реакций являются подобия включений. Сгорание графита в кислороде происходит только при очень высокой температуре с образованием углекислого газа. Однако он вступает в реакцию фторирования. При этом образуется порошок белого цвета, структура которого изменяется на зигзагообразную, приобретая лучшие смазочные свойства по сравнению с обычным графитом.

Отличия модификаций углерода

А вот алмаз является твердым прозрачным и бесцветным веществом, которое не проводит электрический ток. Хотя иногда в природе встречаются розовые, желтоватые, синие или зеленые минералы. Формула алмаза и графита в химии одинаково представлена углеродом - С. Однако благодаря своей кубической кристаллической системе это вещество является одновременно твердым и хрупким. Обработанные алмазы называют бриллиантами. Удивительным является еще и тот факт, что в природе невозможно найти двух одинаковых камней. Наверное, поэтому в переводе с греческого языка название этого вещества означает "непревзойденный".

Аллотропия углерода

Структурная формула графита может искусственно видоизменяться. Благодаря этому был получен целый ряд аллотропных модификаций углерода. Это карбин, графен и фуллерены.

Первое вещество имеет линейную структуру из атомов углерода. Они могут быть соединены либо двойными, либо чередующимися тройными и одинарными связями. Карбин представляет собой черный порошок с мелкокристаллической структурой. Его уникальным свойством является абсолютная совместимость с тканями организма человека. Благодаря этому карбин используют для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Графен - это однослойное вещество, также состоящее из углерода. Такое строение делает его самым прочным и тонким. Графен применяется в различных областях нанотехнологии: точное приборостроение, искусственные мембраны, сенсорные устройства.

Из атомов углерода состоит еще одна аллотропная модификация углерода - фуллерены. Их молекулы имеют сферическую или эллипсовидную форму с полостью внутри. Фуллерены получают из паров графита при их дальнейшей лазерной обработке. Его используют в качестве полупроводника, фоторезиста, элемента аккумуляторов и электрических батарей, катализатора роста алмазной пленки.

Итак, в нашей статье мы рассмотрели особенности строения графита. Это вещество состоит из атомов углерода. Они образуют отдельные слои, связи между которыми не очень сильные. Поэтому графит является мягким, легко отслаивается в горизонтальном направлении, имеет серый цвет с металлическим блеском и хорошо проводит электрический ток.

Смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) - ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Физические свойства

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна , в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном - в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300-1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Применение

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

• для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит - применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.
• электродов , нагревательных элементов - благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).
• Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

1. Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода
2. Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде - это углекислый газ . Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия .

Единственными в России производителями синтетического графита в промышленных масштабах являются предприятия ООО «Донкарб Графит», дочернее общество АО «ЭНЕРГОПРОМ», входящее в состав ГК «РЕНОВА» Виктора Вексельберга и ООО «ГрафитЭл - Московский электродный завод». Принадлежность к предприятиям полного цикла определяется способностью исполнять все этапы технологического процесса производства графита.

Литература

• Графит / Р. В. Лобзова // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М. : Советская энциклопедия, 1969-1978.
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20th ed.

Область применения графита, описание и свойства. Виды природного и искусственного графита - химическая структура, механические и физические характеристики.

Графит (от др.-греч. γράφω - пишу) – это природный материал, относящийся к классу самородных элементов, аллотропная модификация углерода. Он имеет слоистую структуру. Каждый слой кристаллической решетки графита может по-разному располагаться по отношению друг к другу, образуя политипы. Графит находит свое применение в производственной и промышленной деятельности. Графитовые изделия отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками. Графит устойчив к химическим и природным воздействиям, он достаточно прочный, хорошо проводит электрический ток, отличается низкой твердостью, относительной мягкостью, после воздействия высоких температур затвердевает. Плотность составляет 2.23 г/см 3 . Графит имеет металлический блеск и темно-серый цвет. Теплопроводность этого минерала достаточно большая, поэтому его используют для изготовления комплектующих деталей электрооборудования.

Структура и состав графита

Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.

Модификаций природного минерала существует две:

• α-графит (гексагональный). В данной модификации половина атомов каждого из слоев располагается под и над центром шестиугольника.
• β-графит (ромбоэдрический). В этой модификации графита каждый четвертый слой атомов повторяет первый. В природе он в чистом виде не наблюдается. При температуре от 2500 до 3300К ромбоэдрический графит переходит полностью в гексагональный. Природный материал удобно представляется в гексагональных узлах.

Химический состав графита не отличается чистотой. В большом количестве (до 10-20%) присутствует зола, состоящая из разных составляющих (FeO, SiO2, Аl2O3, MgO, Р2О5, CuO, СаО и др.), газы (до 2%) и битумы, иногда вода.

Цвет преобладает железно-черный, доходя до стально-серого. Имеет сильный металловидный блеск; скрытокристаллические агрегаты не блестят, матовые. Показатель преломления графита Nm==l,93-2,07. На ощупь жирный, оставляет след на бумаге и пальцах. Удельный вес графита 2,09-2,23 (меняется исходя от степени дисперсности и присутствия тончайших пор), у шунгита 1,84-1,98. Обладает высокой электропроводностью, что связано с очень плотным расположением атомов в листах.

Графит не плавится, если накаливать в струе кислорода, то сгорает тяжелее в сравнении с алмазом. Улетучивается лишь в пламени вольтовой дуги, не плавясь. В кислотах не растворяется. В смеси с KNO3 порошок при нагревании дает вспышку.

Графит в природе

В природе содержится в гранитах, пирите. Он образуется в магматических и вулканических горных породах, скарнах и пегматитах при высоких температурах, встречается в кварцевых жилах с различными материалами, широко распространен в мраморе, кристаллических сланцах, гнейсах. В результате пиролиза под воздействием на каменноугольные отложения траппов образуются крупные залежи природного минерала.

Показатели:

• Содержание минералов 2.0%
• Содержание углерода > 98.0%
• Содержание серы 550 ppm
• Температурный диапазон -200...3000°C
• Выщелачиваемый хлорид 50 ppm
• Сжимаемость 40%
• Регенерация 15%
• pH диапазон 0-14
• Проседание под нагрузкой

Виды природного графита:

• тигельный (используется для производства огнеупорных изделий. Он отличается повышенной теплопроводностью и стойкостью к резким температурным перепадам),
• литейный кристаллический (имеет низкий коэффициент расширения, характеризуется прочностью при высоких температурах, используется при отливе деталей),
• аккумуляторный (применяется как добавка, графит используется для производства электродов, отличается повышенными техническими и химическими свойствами),
• для производства стержней для карандашей (тонкодисперсный, мягкий, не содержит примесей железа),
• элементный (графит используется для производства гальванических элементов, отличается повышенной тепло- и электропроводностью),
• электроугольный,
• для изготовления смазок и электропроводящей резины.

Искусственный графит - область применения

Искусственно производится конструкционный, мелкозернистый, антифрикционный и литейный графит. Область применения материала достаточно широкая. Графит используется для изготовления огнеупорных материалов, электрических машин и установок, в химической, горнодобывающей промышленности, а также на производстве. Из него также изготавливают стержневые карандаши, краски, покрытия и аккумуляторные батареи. Графит незаменим в ядерной промышленности и в других узконаправленных областях.

Трудно сказать, когда именно человечеству стало известно об этом минерале. Многие ученые считают, что осложнение в этом вопросе связано с тем, что графит похож на другие минералы, которые обладают красящими свойствами. Но археологи нашли глиняную посуду, которая использовалась около 4000 лет назад, и раскрашена была графитом.

Графит - это минерал, который принадлежит классу самородных элементов, относится к одной из модификаций углерода. Структура минерала слоистая, слои сами по себе слабовыраженные, почти плоские и состоят из шестиугольных слоев атомов углерода. Сам по себе графит - мягкий материал, который легко поддается механическому воздействию, а графитовая формула довольна проста С - углерод.

В природе минерал встречается наравне с сопутствующими: пирит, гранат, шпинель. Крупные залежи графита расположены в Тунгусском бассейне, а также таких породах как: кристаллические сланцы, гнейсы и мрамор. Образование графита зависит от высокой температуры вулканических и магматических пород и от пиролиза каменного угля. Графит также являются частью состава метеоритов. И занятный факт: в графите в очень незначительных долях присутствуют золото, серебро и металлы платиновой группы.

Месторождение графита

Графит очень востребован в промышленной сфере . Около 600 млн тонн считаются запасами всего мира, а ежегодно его добывают 600 тысяч. Самыми крупными странами, которые занимаются добычей этого минерала являются: Мексика, Россия, Китай, Чехия, Южная Корея, Канада и др.

Помимо стран, указанных выше, существуют и другие крупные месторождения графита. Например, остров Шри-Ланка, с 1834 года - это крупный производитель и поставщик данного минерала. Точки полезных ископаемых находятся по всему острову, а залежи графита сконцентрированы в центральной и юго-восточной частях. Представлены две добываемые породы: Хайленд (гранулиты, кварцы, чарнокиты) и Саутвест (гнейсы, кальцифиры).

Чешуйчатые залежи графита в огромной доле находятся на Украине, в Завальевском месторождении. Эта доля связана с архейскими образованиями Тетерево-Бугской серии. Серия представлена силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцами, кристаллическим известняком и т.д. Добываемые минералы имеют промышленное значение и так же пользуются спросом.

Свойства графита

Физические свойства:

• Электропроводность.
• Обладает низкой твердостью, разница с алмазом колоссальная, хотя оба элемента - углеродные подвиды. При закале высокой температурой уровень твердости увеличивается, однако, графит становится более хрупким материалом;
• Теплопроводность графита варьируется от 100 до 357,7 Вт;
• Теплоемкость.

Химические свойства:

• Не растворяется в неокисляющих кислотах;
• При высокой температуре реагирует с кислородом, сгорая до углекислого газа;
• Образует соединение включения с щелочными металлами, солями.

Как физические, так и химические свойства в процессе обработки могут видоизменяться, поэтому графит имеет специальные марки, которые обозначают различия.

Виды графит

В природе графит встречается двух видов:

• Гексагональный, отличительная его черта заключается в кристаллической решетке, в которой половина атомов находится строго над и под центром шестиугольника;
• Ромбоэдрический, его особенность в том, что каждый четвертый слой повторяет первый, а при нагревании 1000° графит принимает гексагональный вид.

Для ведения промышленных работ обязательно учитывать плотность графита, но высокий уровень этого показателя достигается путем создания искусственных видов минерала:

1. Ачесонофский графит: получение через нагревание смеси из кокса и пека до 2800°;
2. Рекристаллизованный графит: термомеханическая обработка смеси кокса, пека и природного графита;
3. Пирографит: пиролиз из газообразных углеродов;
4. Доменный графит: охлаждение большого объема чугуна;
5. Карбидный графит: термическое разложение карбидов.

Производство и применение графита

В основном графит применяется в промышленной сфере:

1. При изготовлении плавильных тиглей из-за стойкости графита к повышенным температурам;
2. В нагревательных элементах, так как данный минерал обладает химической стойкостью к агрессивным водным растворам, а также электропроводностью;
3. Для получения алюминия;
4. В твердых смазочных материалах, для образования густых масс и паст;
5. Графит выступает наполнителем пластмасс;
6. Замедлитель нейронов в ядерных реакциях;
7. При производствн синтетических алмазов;
8. При изготовлении "простых" карандашей;
9. Также графит использует при обработке носовой части баллистических ракет и космических аппаратов для тепловой защиты;
10. Для производства различных элементов и инструментов электрических машин (щетки), электротранспорта, насосного оборудования (лопасти, лопатки) и т.п.
11. Применение в пищевой промышленности.

Последний пункт заставляет обратить на себя внимание. Прежде чем минерал будет использован в пищевых продуктах, он проходит тщательную обработку. Графит входит в состав парафинов, спиртов, эфирах и сахаре. Насчет сахара достаточно легко убедиться и самостоятельно, если провести небольшой и несложный опыт.

Кусочек сахара нужно положить на твердую поверхность, а сверху плотно закрывают металлическим колпаком. Колпак нагревают, и из-под него должен начать выделяться газ, который нужно поджечь. После того, как газ полностью выгорит, можно поднять колпачок. На поверхности, где был сахар, останется черная масса, которая является углем. Ну а уголь - это и есть углерод, из которого состоит графит.

Графит - важный и ценный материал, который достаточно легко добыть и обработать, но несмотря на это обладает удивительными свойствами. Минерал широко применяется во всех промышленных отраслях и встречается в переработанном виде ежедневно в повседневной жизни.